燃气轮机运行初期故障诊断及预警分析

郭周密

摘要：为了在使用燃气轮機时能够让机组设备正常运行，提高设备使用的效率和设备在运行中的可靠性，对燃气轮机进行运行初期的故障诊断和预警分析是非常重要的。燃气轮机在船舶业与其他工业领域有广泛应用，为了保证运行的安全，及时诊断故障是非常有必要的。基于此，本文对燃气轮机在运行初期常见的几种故障类型进行了具体情况分析，对其表现和成因进行论述，以供参考。

关键词：燃气轮机;故障诊断;故障预警

引言

燃气轮机的运行理论上来看是一个交叉耦合过程，其核心理论来源是热力学，但由于机组的作业环境往往并不理想，各类故障也时有发生，燃气轮机自身是设备运行的重要动力来源，一旦发生故障后果将不堪设想。作业人员对燃气轮机运行初期可能发生的各类故障要有充分的了解，对故障发生时的外在表现、内在成因要有完全的把握，对于如何应用各类技术对燃气轮机故障进行诊断和预警也要加强学习。

1燃气轮机故障诊断

1.1启动中“热挂”

燃气轮机本身的工作原理是内燃，通过将燃料的能量转化作功来进行动力生成与供给。燃气轮机在启动后由于内部组件温度不断升高，燃机自身组件将会在温度升至温控线时由原本的控制运转速度变为对内部温度的控制，这样一来就将使燃油量的增加速度被放缓，同时燃机的速度控制得不到保障，燃机无法及时继续升速至指定数值，那么燃气轮机就将不能在短时间内完全启动。这种现象持续时间加长之后燃机会一直进行温度控制，而不再转回速度控制，燃机就无法继续升速，这也就是“热挂”故障的表现。燃气轮机的转速无法升高，甚至缓缓下降，最终燃机就会处于无法完全启动的状态，这时就必须停止设备运作进行检查。

“热挂”现象的成因较为多样化，既受外界因素影响又受机器设备内部机组部件影响，有启动系统因素、燃机控制系统因素、透平出力不足、燃油雾化程度不足、压气机有污物堵塞等。首先要将压气机的进气滤网、油滤网等硬件组成清理干净并定期换新，确保能在运行中正常应用。使用的燃油品质也要严格把控，确保燃油雾化颗粒的细腻度达到要求，抑钒剂的使用也要严格按照比例加入，避免腐蚀金属组件。透平的热通道也要定期清洗，防止污物附着降低运转的功率和效率。

1.2压气机喘震

燃气轮机运行初期会出现的一种较为严重的故障是压气机发生振喘。压气机在特性线的左侧设置有一条边界线，用于测试空气流量，若压气机中流入的空气量过低，运行工况逐渐靠近边界线甚至转移至边界线左侧则压气机的稳定运行将会遭到破坏;压气机中流动的空气量不再稳定，时大时小，压力也失去稳定性变得高低波动;故障严重时，气流难以正常流经压气机，甚至从进气口倒涌出来，这时往往伴随频次较低的类似机器在剧烈喘气的声音，同时压气机的机组会受气流影响而开始强烈振动。以上这些现象被统称为压气机的喘振故障。

喘振现象的发生一般是由于燃气轮机的机组启动速度不足以维持空气流入量稳定，导致压气机逐渐偏离工况，工况偏移至喘振边界线左侧;部分操作人员没有在燃机启动前将防喘放气阀打开，导致压气机中空气流量不稳定;燃机在停机时也需要打开防喘防气阀，忽略这一点也会导致压气机喘振。

1.3机组运行振动过大

就长期积攒的燃机使用经验来看，燃气轮机在运行过程中的一大安全威胁是机组运行时的不寻常振动。通常来讲机组运行中产生一定的振动是正常的，但机组振动幅度过大则需要引起注意，必要时应当停机检查。在燃气轮机运行初期，启动时内部组件达到临界转速则机组会有相应的振动，若能在临界转速之后逐渐趋于平缓恢复正常则不算作故障问题。但若是启动机组时一切操作正常，而燃气轮机的升速没有快速达到要求引起振动频率略高，则需要检查机组速度控制方面的情况，判断升速没有及时达到要求的原因[1]。

其一是由于机组没有按照规定的冷机程序做停机后处理，或由于气缸与转子没有在冷机过程中被同步均匀冷却，导致转子受冷热反应收缩突发形变，转子弯曲后在机组运行初期将会产生较大晃动，从而引发振动过大。对此可以通过延长暖机时间来解决，转子恢复原有形状则能降低振动，若转子的形变无法恢复，则需要停机拆除人为将转子弯曲纠正。

其二是转子动不平衡导致机组振动过大，需要通过调整转子动平衡的方式使转子能够正常运作。但如果转子动不平衡是受叶片断裂和金属组件损坏、脱落等问题的影响则需要拆解并更换新的部件。需要注意的是通常情况下5000和6000型的燃机中，叶片重量与标准数值有20～30克误差并不会造成振动过大，更换组件要考虑到这一点。

2气路诊断预测

2.1典型气路故障

2.1.1压气机叶片污垢

压气机吸入的空气量十分庞大，空气中存在的微粒灰尘等污物常常会受气流运动影响附着在压气机的叶片上，积垢过多会使叶片增重，导致运行性能受影响。

2.1.2压气机叶片磨损

吸入空气的过程中若是遭遇固体颗粒物或空气中含有盐分物质则会使压气机叶片表面出现划痕和磨损，叶片表面的阻力加大后空气流通的速率将受到不同程度地影响[2]。具体表现为压气机中的空气流通面积被变相扩大了，空气的流量将会增加，但叶片上的磨损导致阻力增加又会改变叶片的气动性能，这时空气流速又会有相应的降低，二者冲突则使压气机运行不畅。

除此之外压气机叶片在运转过程中若受到燃料中颗粒物的不断碰撞也容易发生机械性损伤，这是一种外来损伤;燃气轮机内部的组件损坏、脱落撞击叶片造成的损伤则属于机械损伤中的自身物损伤。

2.1.3压气机叶尖间隙

转子运作不平衡会导致压气机中叶片与机匣不断摩擦，长此以往叶片尖部磨损严重，与机匣的间隙不断增大，导致漏气损失增加[3]。

2.1.4喷嘴磨损

由于机组主要动力来源是燃油燃烧，运行过程中不可避免地产生一些化学物质，其中有一些腐蚀性气体对金属组件有腐蚀性，涡轮喷嘴出现磨损时涡轮的流量就将加大。

2.2气路诊断原理

气路诊断是一种能够对燃气轮机在运行中可能发生或已经发生的故障进行提前预警的技术，在燃气轮机运行监测中有广泛的应用。当燃气轮机在运行初期发生故障时，由于燃气轮机型号不同，内部组件尺寸、规格、构成等都存在一定的差异，要想应用气路诊断技术则需要根据实际使用的燃气轮机型号具体情况具体分析，使用适应本设备中使用的燃机的气路诊断技术。

例如在运行中压气机的叶片出现一定程度的磨损或是在长期应用中金属组件被腐蚀失去原有性能时，压气机的效率会大幅度明显降低;而故障原因是涡轮叶片上附着的污物过多，长时间没有清理更换时，涡轮转速与运作效率则会明显降低;当燃烧室中的燃烧效率明显降低约3%时则可以检查是否燃烧室中发生了故障。以上提到的都属于气路部件的运行异常现象，这也就是气路故障表现出来的外在反应。

作业人员只要勤加观察就能通过气路部件的反应判断机组运行是否存在异常，气路诊断通过这样的方式进行预警，能够为故障抢修人员提供机组运行故障原因的重要信息，使维修人员能够更快做出诊断，并根据实际情况选择措施进行维修与补救，保证燃气轮机能够继续正常运行。

结语：综上所述，燃气轮机使用的燃油不同对燃气轮机的运行初期也会产生不同类型的影响。燃气轮机自身体积小，运行中对环境造成的污染也小，用作动力供给是非常好的选择。但也正是由于燃气轮机处于一套设备体系中的核心位置，对燃气轮机的定期检查与故障诊断也成为了燃气轮机使用与养护中的重要工作。专业人员要不断研发新技术，使燃气轮机发生故障的概率降低，确保设备正常运行。

参考文献

[1]赵卫正，童小忠，谢尉扬，等.燃气轮机转子裂纹故障分析与诊断[J].燃气轮机技术，2020：54-58.

[2]孔祥宇.燃气轮机气路故障诊断技术探讨[J].科学技术创新，2019：197-198.

[3]应雨龙，李靖超，庞景隆，等.基于热力模型的燃气轮机气路故障预测诊断研究综述[J].中国电机工程学报，2019：105-117+326.